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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Temperiereinrichtung mit einem Behälter für zu temperierende Flüssigkeit
sowie mit einer Heizeinrichtung und einer Kühleinrichtung und mit Behälteranschlüssen für einen
externen Temperierkreislauf.
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Bei solchen Temperiereinrichtungen
kann die Temperierflüssigkeit
einen niedrigeren Flammpunkt als die maximale Arbeitstemperatur
aufweisen. Dadurch kann sich die zum Beispiel durch ein Silikonöl gebildete
Temperierflüssigkeit
bei einer Erhöhung der
Temperatur über
ihren Flammpunkt, entzünden.
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Um dieses Problem zu lösen ist
es aus der
DE 40 14
435 A1 Stand der Technik, die zu temperierende Flüssigkeit
gegenüber
der Umgebungsluft abzuschirmen. Dabei muss die Wärmeausdehnung der Flüssigkeit
berücksichtigt
werden und es müssen entsprechende
Abdichtmaßnahmen
vorgesehen sein. Beispielsweise ist ein Ausdehnungsgefäß vorgesehen,
welches über
eine thermisch schlecht leitende Schlauchleitung angeschlossen ist.
Dieses Ausdehnungsgefäß kann mit
einer Temperaturüberwachung
versehen sein und auch mit einer zusätzlichen Kühlung um zu verhindern, dass
der jeweilige Flammpunkt der Flüssigkeit
in diesem Bereich, der mit der Außenatmosphäre in Verbindung stehen kann,
nicht überschritten
wird.
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Bei Temperiereinrichtungen mit Heizeinrichtung
und Kühleinrichtung
muss dafür
Sorge getragen werden, dass der Verdampfer der Kühleinrichtung beim Aufheizen
nicht über
einen auf das verwendete Kältemittel
abgestimmte Temperatur erhöht
wird. Die Heizzone und die Kühlzone
werden deshalb räumlich voneinander
getrennt angeordnet, so dass ein unzulässiges Aufheizen des Verdampfers
mit darin befindlichem Kältemittel
vermieden wird. Um den Heizbereich und den Kühlbereich umschaltbar voneinander zu
trennen, ist ein Dreiwegeventil vorgesehen. Mit diesem kann wahlweise
auf den Kühlkreislauf
oder auf den Heizkreislauf umgeschaltet werden. Problematisch ist
dabei, dass dieses Dreiwegeventil für alle verwendeten, zu temperierenden
Medien geeignet sein muss und andererseits auch über den gesamten Arbeitstemperaturbereich
funktionieren muss. Weiterhin ist problematisch, dass nach einem
Umschaltvorgang eine Mischung von kaltem und warmem Temperiermedium
auftritt, so dass in einem gewissen Übergangszeitraum die Temperaturkonstanz
negativ beeinflusst ist.
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Ein weiteres Problem ist das Reinigen
einer solchen zweikreisigen Anlage, da in den einzelnen Zweigen
jeweils Reinigungsflüssigkeit
oder Reste davon verbleiben können.
Dies tritt wechselweise in beiden Kreisen je nach Umschaltung des
Dreiwegeventiles auf. Damit besteht eine erhöhte Gefahr, dass ein anschließend eingefülltes Temperiermedium
mit Reinigungsflüssigkeit
oder Resten davon vermischt wird und die Eigenschaften dieser Flüssigkeit
beeinflusst. Die Reinigungsflüssigkeit,
die beispielsweise Alkohol ist und bei etwa 80° siedet, führt bei der Inbetriebnahme
zu einer Gasentwicklung, welche die Funktion beeinträchtigt und
auch eine Gefährdung bedeutet.
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Auch das Entlüften der Pumpe beim Befüllen und
während
des Betriebes ist bei diesen zweikreisig arbeitenden Anlagen mit
Dreiwegeventil problematisch. Außerdem müssen Mehrfach-Entlüftungsvorrichtungen
vorgesehen sein.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine Temperiereinrichtung mit Heizeinrichtung und Kühleinrichtung
der eingangs erwähnten
Art zu schaffen, die kompakt im Aufbau ist, für große Temperaturbereiche einsetzbar
ist und bei der trotzdem auch bei sehr hohen Temperaturen kein Wechsel
der Wärmeträgerflüssigkeit
erforderlich sein soll.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen,
dass die Heizeinrichtung und ein Verdampfer der Kühleinrichtung
gemeinsam in dem Behälter
angeordnet sind und dass der Verdampfer eine Rohrführung mit
einem unten angeordnetem Zulauf und einem unten angeordnetem Ablauf
zum schwerkraftbedingten Auslaufen von Kältemittel-Ölgemisch und Leerlaufen des
Verdampfers aufweist.
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Durch die gemeinsame Unterbringung
der Kühleinrichtung
und der Heizeinrichtung in einem Behälter wird zwar der Wärmetauscher
der Kühleinrichtung
bei aktivierter Heizeinrichtung miterwärmt, durch die Ausbildung des
Wärmetauschers
kann jedoch das Kältemittel-Ölgemisch
auslaufen und somit der Wärmetauscher
leerlaufen. Das nach unten abgeflossene Kältemittel-Ölgemisch gelangt dadurch aus
dem Heizbereich und kann keinen Schaden nehmen. Durch die in einem
Behälter
befindliche Kühleinrichtung
und Heizeinrichtung ist ein kompakter Aufbau vorhanden.
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Vorteilhafterweise weist der Verdampfer
eine wendelförmige
Rohrführung
auf mit einer Außenwendel
und einer Innenwendel, die etwa vertikal und koaxial ineinandergreifend
angeordnet sind und die oberseitig miteinander verbunden sind und
unterseitig den Zu- und Ablauf für
Kältemittel
aufweisen.
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Durch die schraubenlinienförmige oder
wendelförmige,
bifilare Rohrführung
des Verdampfers mit einem ersten Abschnitt, der von unten nach oben
verläuft
und einem zweiten Abschnitt, der von oben nach unten verläuft, befinden
sich Zulauf und Rücklauf
jeweils an tiefster Stelle, so dass bei Umschaltung auf Heizbetrieb
das Kältemittel-Ölgemisch
abfließen kann.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der
Erfindung sieht vor, dass zwischen der Außenwendel und der Innenwendel
des Verdampfers eine sich etwa über die
Wendellänge
erstreckende Trennwand vorgesehen ist, dass am unteren Ende der
Außenwendel eine
etwa tangential gerichtete Einströmstelle für Temperiermedium, oberseitig
wenigstens eine Überströmstelle
zum Umleiten des Temperiermediums zur Innenwendel und unten eine
an eine Fördereinrichtung
angeschlossene Saugstelle vorgesehen sind.
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Die Trennung der Außenwendel
und der Innenwendel des Verdampfers ermöglicht eine geführte Umströmung des
Wärmetausches
mit Temperiermedium, so dass trotz der Anordnung von Kältemittel-Zulauf
und -Ablauf nebeneinander im unteren Bereich eine effektive Gegenstromkühlung möglich ist.
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Die zirkuläre Umströmung entlang dem Verlauf von
Außen-
und Innenwendel, welche von diesen auch geführt wird, ergibt einen Wärmeübertragungskontakt über eine
lange Strecke.
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Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass
benachbarte Rohrwindungen des Verdampfers mit lichtem Abstand zueinander
angeordnet sind und dass der Zwischenraum in Verbindung mit der
Trennwand einen schraubenlinienförmigen
Strömungsführungskanal
bildet. Die Rohrwindungen des Verdampfers werden dadurch auch umfänglich von
dem Temperiermedium kontaktiert und dadurch die wirksame Kontaktoberfläche vergrößert.
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Zweckmäßigerweise überragt die zylinderförmige Trennwand
die Außen-
und Innenwendel des Verdampfers oben und ist dort mit einer radial
orientierten und sich zumindest über
die radiale Breite der Außen-
und Innenwendel erstreckende, einen Außenflansch und einen Innenflansch
aufweisenden Ringplatte verbunden, bei der die Überströmstelle zum Umleiten des Temperiermediums
von der Außenwendel
zur Innenwendel vorgesehen ist.
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Die Strömungsüberführung und Umleitung des Temperiermediums
von der zuströmseitigen
Außenwendel
zu der Innenwendel erfolgt dadurch gezielt und auf kurzem Weg.
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Dabei ist es hilfreich und vorteilhaft,
wenn sich der Außenrand
des Außenflansches
etwa bis zur Innenseite des Behälters
erstreckt und ein oder mehrere Öffnungen
zum Ausleiten des Temperiermediums aus dem Bereich der Außenwendel
aufweist.
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Dabei können die Öffnungen im Außenrand des
Außenflansches
jeweils ein Leitblech aufweisen.
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Weiterhin kann das Temperiermedium
in der Temperiereinrichtung in Umfangsrichtung umströmen.
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Durch die etwa in Umfangsrichtung
zirkulierende Umströmung
der Wendel durch das Temperiermedium kann mit einem oder mehreren
in diese Strömung
eingreifenden Leitblechen auf einfache Weise eine Strömungsumlenkung
vorgenommen werden.
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Zweckmäßig ist es, wenn der Innenflansch zum
Einleiten des Temperiermediums in den Bereich der Innenwendel, im
Umfangsverlauf mehrere Durchtrittsöffnungen aufweist.
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Dabei können die Durchtrittsöffnungen
in ihrem Querschnitt entsprechend dem örtlichen Strömungsdruck
dimensioniert sein und in Bereichen geringeren Druckes größer als
in Bereichen höheren Druckes
sein.
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Auch dies trägt mit zu einer gleichmäßigen Strömungsumlenkung
des insbesondere in Umfangsrichtung umströmenden Temperiermediums vom
Außen-
in den Innenbereich beziehungsweise von der Außenwendel zur Innenwendel bei.
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Eine bevorzugte Ausführungsform
sieht vor, dass die Heizeinrichtung oberhalb des Verdampfers der
Kühleinrichtung
angeordnet ist. Zweckmäßigerweise
weist dabei die Heizeinrichtung eine etwa koaxial zu den Wendeln
des Verdampfers angeordnete Heizschlange auf.
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Insbesondere in Verbindung mit einem
zentral im Behälter
angeordneten Verdrängungskörper, der
zweckmäßigerweise
eine Durchtrittsöffnung
für den
Saugstutzen der Fördereinrichtung
aufweist, ist bei dieser Anordnung auch im Bereich der Innenwendel
ein ringspaltförmiger
Strömungsraum
vorhanden, der außenseitig
durch die Trennwand zwischen Außen-
und Innenwendel und innenseitig durch die Außenwand des zylindrischen Verdrängungskörpers gebildet
ist. Auch dies trägt
mit dazu bei, dass das Temperiermedium zirkular entlang dem Wendelverlauf
geführt
werden kann.
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Es besteht aber auch die Möglichkeit,
dass die Heizeinrichtung innerhalb des Verdampfers angeordnet ist,
insbesondere zwischen der Innenwendel des Verdampfers und dem zentralen
Saugstutzen. Diese Ausführungsform
ermöglicht
eine kurze, kompakte Bauform der Temperiereinrichtung und insbesondere
von dessen Behälter.
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Zusätzliche Ausgestaltungen der
Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt.
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Nachstehend ist die Erfindung mit
ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 .
eine Temperiereinrichtung in halbseitiger Längsschnittdarstellung und
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2 eine
Seitenansicht eines Verdampfers einer zur Temperiereinrichtung gehörenden Kühleinrichtung.
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Eine in 1 gezeigte Temperiereinrichtung 1 dient
zur Temperierung einer Flüssigkeit,
die in einem externen Kreislauf umgefördert wird. Dieser externe
Kreislauf ist an einen Eingangsstutzen 2 und an einen Auslaßstutzen 3 der
Temperiereinrichtung 1 angeschlossen. Zum Umfördern dient
eine Pumpe 4. Der Zulauf 2 für die zu temperierende Flüssigkeit
befindet sich am unteren Ende eines Behälters 5, in dem sowohl
eine Heizeinrichtung 6 mit einer Heizschlange 7 als
auch der Verdampfer 8 einer Kühleinrichtung untergebracht
sind. Der Verdampfer ist über unterseitige
Anschlüsse
an einen Kältekreislauf
mit einem Verdichter und einem Verflüssiger angeschlossen. Wie gut
auch in 2 erkennbar,
weist der Verdampfer 8 eine schraubenlinienförmige oder wendelförmige Rohrführung auf
mit einer Außenwendel 9 und
einer innerhalb dieser angeordneten Innenwendel 10. Die
Außenwendel 9 und
die Innenwendel 10 sind koaxial zueinander angeordnet und
oberseitig miteinander verbunden. Der Zulauf 11 und der
Ablauf 12 für
das Kältemittel befinden
sich am unteren Ende der Außenwendel 9 beziehungsweise
der Innenwendel 10. Das über den Zulauf 11 zugeförderte Kältemittel
durchläuft
die Außenwendel 9 bis
zu deren oberen Ende und wird dann weitergeführt zur Innenwendel 10,
wo es nach unten bis zum Ablauf 12 geführt wird.
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Der Zulauf 11 und der Ablauf 12 sind
so unterseitig angeordnet, daß Kältemittel-Ölgemisch schwerkraftbedingt
nach unten austreten kann und somit der Verdampfer 8 leerläuft. Dies
ist vorgesehen, weil sich der Verdampfer 8 innerhalb von
dem Behälter 5,
wo auch die Heizeinrichtung 6 untergebracht ist, befindet.
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Würde
sich Kältemittel
oder Reste davon in dem Verdampfer 8 befinden, während mittels
der Heizeinrichtung 6 die zu temperierende Flüssigkeit
aufgeheizt wird, beispielsweise auf 200° C, so würde das Kältemittel unbrauchbar werden,
weil der darin enthaltene Ölanteil
zerstört
wird. Bei leergelaufenem Verdampfer 8 kann dies jedoch
nicht eintreten.
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Wie gut in 1 erkennbar, ist zwischen der Außenwendel 9 und
der Innenwendel 10 des Verdampfers eine sich über die
Wendellänge
erstreckende Trennwand 13 vorgesehen, die zylinderförmig ausgebildet
ist. Die Trennwand 13 überragt
oben und unten die Außen-
und Innenwendel des Verdampfers und ist oberseitig mit einer radial
orientierten und sich zumindest über
die radiale Breite der Außen- und Innenwendel
erstreckende, einen Außenflansch 14 und
einen Innenflansch 15 aufweisenden Ringplatte 16 verbunden.
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Innerhalb dieser Ringplatte 16 befinden
sich Überströmöffnungen, über die
zu temperierendes Medium von der Außenseite, wo sich die Außenwendel 9 des
Verdampfers 8 befindet, zur Innenseite, wo sich die Innenwendel 10 befindet, überströmen kann.
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Durch die Trennwand 13 in
Verbindung mit der Innenseite des Behälters 5 ist ein Ringraum
gebildet, in dem sich die Außenwendel 9 befindet.
Auch innenseitig ist ein Ringraum gebildet, der außenseitig durch
die Trennwand 13 und innenseitig durch einen zylinderförmigen Verdrängungskörper 17 begrenzt ist.
Dieser Verdrängungskörper 17 ist
zentral im Behälter
angeordnet und weist eine Durchtrittsöffnung 18 für den Saugstutzen
der Umwälzpumpe 4 auf.
Der Verdrängungskörper 17 reduziert
das Aufnahmevolumen der Temperiereinrichtung, wodurch die Temperierdynamik
verbessert werden kann. Außerdem
bildet er im Ausführungsbeispiel
einen Teil der inneren Strömungsführung.
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Die zu temperierende Flüssigkeit
wird am unteren Ende des Behälters 5 vorzugsweise
etwa tangential zugeführt
und gelangt dann zirkulär
umlaufend und von der Außenwendel 9 geführt, zu
deren oberes Ende, wo sich die Ringplatte 16 befindet.
Sowohl die Außenwendel 9 als
auch die Innenwendel 10 dienen selbst als Strömungsführungen
und es sind dazu die jeweils benachbarten Rohrwindungen des Verdampfers
mit lichtem Abstand zueinander angeordnet. Der Zwischenraum in Verbindung
mit der Trennwand 13 sowie der Behälterwand bilden dann einen
schraubenlinienförmigen
Strömungsführungskanal.
Auch bei der Innenwendel ist diese Strömungsführung einerseits durch die
dort von oben nach unten in Strömungsrichtung
verlaufenden Rohrwindungen und andererseits durch die Trennwand 13 beziehungsweise
die Außenseite
des Verdrängungskörpers 17,
vorhanden.
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Um auf kurzem Weg ein Überströmen von dem äußeren Ringspaltraum,
in dem sich die Außenwendel 9 befindet
in den inneren Ringspaltraum, wo sich die Innenwendel 10 befindet,
zu bewirken, sind speziell ausgebildete Überströmstellen vorgesehen. Diese
befinden sich in der Ringplatte 16.
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Wie gut in 2 erkennbar, ist zumindest eine Öffnung 19 in
dem Außenflansch 14 der
Ringplatte 16 vorgesehen. Eine entgegen der Umströmrichtung
des zu temperierenden Mediums weisendes Leitblech 20 ragt
in diese Umströmung
und leitet sie aus dem äußeren Ringraum
in den Bereich oberhalb der Ringplatte 16.
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Wie bereits vorerwähnt, wird
das zu temperierende Medium mit Hilfe der Umwälzpumpe 4 umgefördert. Der
Pumpenteil 21 dieser Umwälzpumpe 4 befindet
sich am oberen Ende innerhalb des Behälters 5 und ist über einen
Anschlußstutzen 22 mit
dem oberhalb befindlichen Pumpenmotor 23 verbunden. Der
Pumpenteil weist einen den Verdrängungskörper 17 zentral
durchgreifenden Ansaugstutzen auf, so daß die Saugstelle sich am unteren
Ende dieses Verdrängungskörpers 17 befindet.
Der Auslaßstutzen 3 befindet
sich seitlich im Bereich des Pumpenteiles 21.
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Das oberhalb der Ringplatte 16 aus
dem äußeren Ringraum
ausgeleitete Temperiermedium hat weiterhin eine zirkuläre Strömung und
gelangt dabei in den Bereich mehrerer, in dem Innenflansch 15 der Ringplatte 16 vorgesehenen Öffnungen 24 zum
Einleiten in den inneren Ringraum und somit in den Bereich der Innenwendel 10.
Durch die am unteren Ende dieses inneren Ringraumesbefindliche Saugstelle
der Umwälzpumpe
4 wird ein entsprechendes Druckgefälle aufgebaut, so daß das in
Umfangsrichtung umströmende
Temperiermedium entlang dem Verlauf der Innenwendel 10 nach
unten strömt
und dann in den Saugstutzen der Umwälzpumpe 4 gelangt.
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Im Ausführungsbeispiel sind, wie in 2 erkennbar, im Umfangsverlauf
des Ringplatten-Innenflansches 15 mehrere Durchtrittsöffnungen 24 vorgesehen,
die in ihrem Querschnitt entsprechend dem örtlichen Strömungsdruck
dimensioniert sind und in Bereichen geringeren Druckes größer sind
als in Bereichen höheren
Druckes. Dadurch wird eine Vergleichmäßigung der Einströmung in
den inneren Ringspaltraum erreicht. Es besteht auch die Möglichkeit,
daß bei
einer oder mehreren dieser Öffnungen 24 Leitflächen angeordnet
sind, um die Strömungsumleitung
in den Bereich der Innenwendel 10 zu begünstigen.
Weiterhin besteht auch zur Vergleichmäßigung der Einströmung oder
Umströmung
zur Innenwendel 10 die Möglichkeit, die im Umfangsverlauf des
Ringplatten-Innenflansches 15 vorgesehenen Durchtrittsöffnungen 24 in
Umfangsrichtung, ausgehend von der Einströmstelle bei der Öffnung 19,
in ihrem lichten Querschnitt gegebenenfalls kontinuierlich zunehmen
zu lassen oder daß in
Umfangsabschnitten Gruppen von Durchtrittsöffnungen mit gleichem lichten
Querschnitt vorgesehen sind.
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Erwähnt sei noch, daß sich der
Innenrand des Ringplatten-Innenflansches 15 etwa bis zur
Außenseite
des Verdrängungskörpers 17 erstreckt,
so daß die
Einströmung
von Temperiermedium in den Bereich der Innenwendel 10 praktisch
ausschließlich über die
im Innenflansch 15 vorgesehenen Öffnungen 24 erfolgt.
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Der Kältemittel-Zulauf 11 ist
am unteren Ende der Innenwendel 10 vorgesehen und dementsprechend
der Kältemittel-Ablauf 12 am
unteren Ende der Außenwendel 9.
Die Einströmung
der Temperierflüssigkeit
erfolgt. am unteren Ende des Behälters 5 etwa
in tangentialer Richtung, damit sich die in Umfangsrichtung umlaufende
Strömung
ergibt. Das Temperiermedium kommt dadurch zuerst mit dem abströmseitigen
Teil des Verdampfers in Kontakt, und somit mit dem relativ wärmsten Bereich
des Verdampfers, während
das bereits abgekühlte
Temperiermedium am Ende der Strömungsführung, also
am unteren Ende der Innenwendel 10 mit dem relativ kältesten
Bereich des Verdampfers 8 in Berührung kommt. Es ist dadurch
eine Gegenstromkühlung
mit hoher Effektivität
gebildet.
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Die Trennwand 13 zwischen
der Außenwendel 9 und
der Innenwendel 10 des Verdampfers 8 erstreckt
sich bis zum Boden des Behälters 5.
Bodenseitig ist eine in den Zeichnungen nicht erkennbare Befüllöffnung für Temperiermedium
vorgesehen, die beidseitig der Trennwand 13 mündet. Dadurch
ist bei dem Befüllvorgang
ein gleichzeitiges Befüllen
der Bereiche beidseitig der Trennwand 13 möglich.
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Der Verdampfer 8 mit Außenwendel 9 und
Innenwendel 10 in Verbindung mit der Trennwand 13 und
der oberseitig angeordneten Ringplatte 16 sowie einem unterseitig
angeordneten Bodenflansch 25 bilden, wie gut in 1 erkennbar, eine kompakte
Montageeinheit.
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Oberhalb des Verdampfers 8 ist
im Ausführungsbeispiel
die Heizschlange 7 der Heizeinrichtung 6 angeordnet.
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Der Behälter 5 weist oberseitig
einen Abschlußdeckel
auf, der etwas schräg
aus der horizontalen Lage geneigt ausgebildet ist und an der höchsten Stelle
an eine Entlüftungsleitung 26 angeschlossen
ist. Das Ende dieser Entlüftungsleitung
ist durch ein Ventil 27 verschlossen. Die Entlüftungsleitung 26 ist
an einen Ringkanal angeschlossen, der sich oberhalb des Pumpenteiles 21 befindet
und an den auch der Druckstutzen oder Auslaßstutzen 3 der Umwälzpumpe 4 angeschlossen
ist. In diesem Bereich strömt das
Temperiermedium kreisförmig
um und gelangt dabei auch in den Anschlußbereich der Entlüftungsleitung 26.
Um sicherzustellen, daß Luftbläschen tatsächlich in
die Entlüftungsleitung 26 gelangen,
weist diese an ihrem unteren Anschlußende einen Entlüftungsdom 28 auf,
der einen gegenüber
der Entlüftungsleitung 26 erweiterten
Querschnitt aufweist. Der Querschnitt ist dabei so bemessen, daß die Luftblasen
aufgenommen und dadurch abgeführt
werden können.
Bei kleinem Querschnitt würde,
bedingt durch Oberflächenspannungen,
das Abführen
von unerwünschten
Luftbläschen
erschwert sein.